CN110410180A - 主动再生过程控制方法及系统、可读存储介质和控制单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制柴油发动机的柴油颗粒物过滤器(32)的主动再生过程的方法，至少包括以下步骤：在主动再生过程期间，检测流入柴油颗粒物过滤器(32)的废气的体积流量(q)和柴油颗粒物过滤器(32)的入口与出口之间的压差(△P)，和/或检测柴油颗粒物过滤器(32)的出口温度(Tout)；至少基于至少与体积流量(q)和压差(△P)有关的第一控制变量和/或至少与出口温度(Tout)有关的第二控制变量控制柴油颗粒物过滤器(32)的主动再生过程。还公开了一种相应的系统、计算机可读存储介质和控制单元。通过引入第一和第二控制变量，可确保在不损坏柴油颗粒物过滤器(32)的情况下高效地主动再生柴油颗粒物过滤器(32)。

Description

主动再生过程控制方法及系统、可读存储介质和控制单元

技术领域

本发明涉及一种用于控制柴油发动机的柴油颗粒物过滤器的主动再生过程的方法、一种相应的系统、一种计算机可读存储介质以及一种用于车辆的控制单元。

背景技术

柴油发动机因扭矩大、经济性能好等优点在某些领域中得到了广泛使用。然而，对于柴油发动机来说，工作时会产生包含颗粒物、氮氧化物等诸多有害成分的废气。颗粒物主要是碳，通常称为碳烟，它不仅会呈现为烟尘而污染空气，更重要的是，细小的颗粒物能深入人的肺部对肺部造成损伤。这些颗粒物往往还吸附有很多有不同程度的诱变和致癌作用的有机物质。

因此，目前的柴油发动机一般都配备有柴油颗粒物过滤器，以满足日益严格的环保要求。柴油颗粒物过滤器通常安装在柴油发动机的排气系统中来降低废气中的有害颗粒物。

柴油颗粒物过滤器主要由颗粒物过滤系统和再生系统两部分组成。颗粒物过滤系统随着捕获的颗粒物的不断增多，会造成排放背压升高等问题，背压升高又会影响到发动机的动力性和经济性。因此，需要检测柴油颗粒物过滤器捕获的碳烟颗粒量，在柴油颗粒物过滤器的碳烟颗粒量达到预定阈值时，启动再生系统，例如通过高温燃烧除去颗粒物，恢复柴油颗粒物过滤器的性能。

目前，通常通过模型间接计算得到碳烟颗粒量。然而，对于碳烟检测模型来说，它高度依赖于发动机的原始排放，当一些部件出现故障、例如漏油、废气再循环系统堵塞、增压器泄漏等可能会使得模型不再准确。对于主要针对商用车的基于压差的计算方法，压差通常较低，在这种情况下，压差传感器的误差和载体的批量生产的公差再加上被动再生的影响会使得有可能不能准确地检测碳烟颗粒量。

使柴油颗粒物过滤器高效、可靠地工作不仅需要准确地检测碳烟颗粒量，而且还需要对柴油颗粒物过滤器再生时的温度进行合理控制，特别是在例如由于故障而使得碳烟颗粒量的检测存在偏差的情况下，更需要关注对再生时的温度的控制，以避免损坏或烧毁柴油颗粒物过滤器。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制柴油发动机的柴油颗粒物过滤器的主动再生过程的方法、一种相应的系统、一种计算机可读存储介质以及一种用于车辆的控制单元，以至少避免上述部分问题。

根据本发明的第一个方面，提供了一种用于控制柴油发动机的柴油颗粒物过滤器的主动再生过程的方法，所述方法至少包括以下步骤：在主动再生过程期间，检测流入柴油颗粒物过滤器的废气的体积流量和柴油颗粒物过滤器的入口与出口之间的压差，和/或检测柴油颗粒物过滤器的出口温度；以及至少基于至少与体积流量和压差有关的第一控制变量和/或至少与出口温度有关的第二控制变量控制柴油颗粒物过滤器的主动再生过程。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用于用于控制柴油发动机的柴油颗粒物过滤器的主动再生过程的系统，所述系统包括：控制单元，所述控制单元被构造成：在主动再生过程期间，检测流入柴油颗粒物过滤器的废气的体积流量和柴油颗粒物过滤器的入口与出口之间的压差，和/或检测柴油颗粒物过滤器的出口温度；以及至少基于至少与体积流量和压差有关的第一控制变量和/或至少与出口温度有关的第二控制变量控制柴油颗粒物过滤器的主动再生过程。

根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，其中，所述程序指令被处理器执行时实现所述方法的步骤。

根据本发明的第四个方面，提供了一种用于车辆的控制单元，所述控制单元包括存储器、处理器以及存储在存储器上并能够在处理器上运行的程序指令，其中，所述处理器执行所述程序指令时实现所述方法的步骤。

通过引入第一和第二控制变量，可确保在不损坏柴油颗粒物过滤器的情况下高效地主动再生柴油颗粒物过滤器。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

图1简要地示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油发动机与废气排放处理系统的示意框图。

图2示出了基于流入柴油颗粒物过滤器的废气的体积流量和柴油颗粒物过滤器的入口与出口之间的压差定义的一个示例性的危险程度评级图。

图3示例性地示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油颗粒物过滤器的入口温度。

图4示意性地示出了主动再生过程中的柴油颗粒物过滤器的出口温度的三种示例性变化。

图5示出了柴油颗粒物过滤器的出口温度的示例性梯度变化。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。

图1简要地示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油发动机与废气排放处理系统的示意框图。柴油发动机1启动后，产生的废气经由排气管2传导到废气处理系统3中进行处理，处理后再经由尾气管4排放到环境中。

根据本发明的一个示例性实施例，废气处理系统3从上游到下游依次包括柴油氧化催化器31、柴油颗粒物过滤器32和选择性催化还原反应器33。

此外，如图1所示，还设有用于测量柴油颗粒物过滤器32的入口压力的入口压力传感器5、用于测量柴油颗粒物过滤器32的出口压力的出口压力传感器6、用于测量柴油颗粒物过滤器32的入口温度的入口温度传感器7以及用于测量柴油颗粒物过滤器32的出口温度的出口温度传感器8。工作中，控制单元9、例如柴油车的ECU(电子控制单元)采集这些传感器的测量信号，并根据这些测量信号中的至少某些测量信号和/或其它信号判断是否需要对柴油颗粒物过滤器32进行主动再生以及控制如何进行主动再生。

首先需要指出的是，由于选择性催化还原反应器33的入口与柴油颗粒物过滤器32的出口连接，因此，可以粗略地认为，柴油颗粒物过滤器32的出口温度即为选择性催化还原反应器33的入口温度。图1只是示例性地示出将出口温度传感器8设置在选择性催化还原反应器33的入口处，实际中它也可以设置在柴油颗粒物过滤器32的出口处或柴油颗粒物过滤器32的出口与选择性催化还原反应器33的入口之间的任何位置处。甚至可以考虑设置多个温度传感器。

通过入口压力传感器5与出口压力传感器6可以获得柴油颗粒物过滤器32的入口与出口之间的压差△P。随着柴油颗粒物过滤器32捕获的碳烟颗粒量w增加，流阻增大，压差△P也会相应地增大，因此可以根据压差△P反推计算得出柴油颗粒物过滤器32中已经捕集的碳烟颗粒量w。控制单元9根据检测到的碳烟颗粒量w是否超过预定阈值来决定是否启动主动再生过程。主动再生过程是指控制单元9主动控制的再生，其是相对柴油颗粒物过滤器32自然发生的不受主动控制的被动再生而言的。

除了通过压差△P反推计算碳烟颗粒量w来决定是否启动主动再生过程之外，也可以采用其它任何合适的方法，例如通过模型推算碳烟颗粒量w。本发明并不对如何判断是否启动主动再生过程进行任何限制。

主动再生过程如何具体实施也非常重要，这是因为一方面会影响柴油颗粒物过滤器32的再生效率，另一方面如果主动再生过程控制不当会有损坏柴油颗粒物过滤器32、甚至是选择性催化还原反应器33的危险。

根据本发明的一个示例性实施例，提出了至少基于至少与压差△P和流入柴油颗粒物过滤器32的废气的体积流量q有关的控制变量控制主动再生过程。

根据本发明的一个示例性实施例，该控制变量为由体积流量q与压差△P构成的数据对(q，△P)。

总体上讲，随着柴油颗粒物过滤器32内捕获的碳烟颗粒量的增加，流阻增大，压差△P与体积流量q之间的关系会发生相应变化。

根据本发明的一个示例性实施例，可以基于体积流量q和压差△P定义一个危险程度评级图，如图2示意性地所示。图2示例性示出了三个区域：安全区域Z1、危险区域Z2以及位于安全区域Z1与危险区域Z2之间的居间区域Z3。

如果测量得到的压差△P和相应的体积流量q构成的数据对(q，△P)位于危险区域Z2内，则表明柴油颗粒物过滤器32内捕获的碳烟颗粒量非常大，柴油颗粒物过滤器32可能已经被堵塞，需要进行保养清洁，即，需要人工清除柴油颗粒物过滤器32内捕获的碳烟颗粒物。

如果测量得到的数据对(q，△P)位于居间区域Z3内，则表明柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒量虽然比危险区域Z2内的碳烟颗粒量小，但仍然相对较大，需要启动主动再生过程清除。此时，如果一开始就使得进入柴油颗粒物过滤器32内的入口温度Tin较高，则可能会使得柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒物燃烧过旺而可能会烧坏柴油颗粒物过滤器32。为此，根据本发明的一个示例性实施例，随着主动再生持续时间的增加再提高进入柴油颗粒物过滤器32内的入口温度Tin。根据本发明的一个示例性实施例，阶梯式地增大进入柴油颗粒物过滤器32内的入口温度Tin。图3示例性地示出了一个入口温度Tin如何变化的实施例。

如图3所示，在从主动再生开始时刻t0至第一时刻t1的时段内，将入口温度Tin控制在第一入口温度Tin1下，例如控制在350℃至400℃下，此时柴油颗粒物过滤器32处于主动连续再生状态。

根据本发明的一个示例性实施例，在主动连续再生状态下，可以关闭废气再循环系统，以增大废气中的No_x含量，从而，可以加速主动连续再生。

随着主动连续再生的进行，柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒量会逐渐下降。在例如达到第一时刻t1之后，数据对(q，△P)会变化到安全区域Z1内，在这种情况下再增大入口温度Tin将不会烧坏柴油颗粒物过滤器32，主动再生过程从此进入到不同于初始进行的主动连续再生的另一主动再生阶段。例如，在另一主动再生阶段中，入口温度Tin阶梯式地先增大到第二入口温度Tin2，然后再增大到第三入口温度Tin3。

根据本发明的一个示例性实施例，第二入口温度Tin2为约500℃，第三入口温度Tin3为约600℃。

当主动再生过程继续到第二时刻t2时，完成对柴油颗粒物过滤器32的整个主动再生。

入口温度Tin可以通过入口温度传感器7测量。入口温度Tin的控制可以通过多种方式、例如控制柴油发动机的气缸内的喷油等实现，在此为了清楚起见，不再赘述。

以上示例性地以阶梯式温度升高描述了主动再生过程，然而，入口温度Tin的变化并不限于图3所示的方式，例如也可以逐渐增大或以更多个阶梯的方式增大。

如果测量得到的数据对(q，△P)位于安全区域Z1内，则可以从主动再生开始时刻t0时起就使用较大的入口温度Tin再生，例如先以第二入口温度Tin2开始再生，然后再以第三入口温度Tin3继续再生。

上面虽然以数据对(q，△P)作为控制变量为例判断如何进行主动再生，但显然也可以以压差△P与体积流量q之间的其它关系作为控制变量来控制主动再生过程。例如，可以以压差△P与体积流量q的三次方之间的比值作为控制变量。

压差△P与体积流量q之间存在以下函数关系：

ΔP＝k*q³ (1)

其中，k为比例系数。

显然，压差△P与体积流量q的三次方之间成线性关系，比例系数k可以反映柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒量。可以通过将计算得出的比例系数k与预定值进行比较，类似于图2定义三个区域。

而且，虽然上面均以三个区域为例进行了描述，但本领域的技术人员可以理解，区域的个数并不局限于此，甚至可以在控制变量与入口温度之间直接构建函数关系，从而，在某些情况下，可以根据控制变量连续地控制入口温度。

除了根据控制变量控制入口温度之外，也可以根据控制变量控制影响主动再生过程的其它影响参数，例如，进入柴油颗粒物过滤器32的废气中的残余燃油量、废气再循环系统等，以使柴油颗粒物过滤器32得到高效再生而不损坏。

通过这种方式，即使碳烟颗粒量实际中存在一定的计算偏差，也可以确保在不损坏废气处理系统3、特别是柴油颗粒物过滤器32的情况下高效地再生柴油颗粒物过滤器32。

上面描述了如何在主动再生过程中控制柴油颗粒物过滤器32的入口温度Tin，以至少避免损坏柴油颗粒物过滤器32。然而，仅通过控制入口温度Tin并不能完全确保柴油颗粒物过滤器32内的主动再生过程不会损坏柴油颗粒物过滤器32，例如不能确保始终准确地预测柴油颗粒物过滤器32内的燃烧温度，这是因为影响再生过程的因素众多。为此也可引入柴油颗粒物过滤器32的出口温度Tout参与控制柴油颗粒物过滤器32内的主动再生过程。总体上讲，柴油颗粒物过滤器32内燃烧越剧烈，其出口温度Tout越高，因此可以至少基于至少与出口温度Tout有关的控制变量反馈控制柴油颗粒物过滤器32内的主动再生过程。

研究发现，在主动再生过程中，随着柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒物的不断燃烧，出口温度Tout先逐渐上升达到一峰值，然后随碳烟颗粒物的燃烧殆尽，出口温度Tout会逐渐下降。图4中示意性地示出了主动再生过程中的出口温度Tout的三种示例性变化。

如图4所示，第一曲线c1的峰值最小，第二曲线c2的峰值最大，第三曲线c3的峰值介于第一曲线c1的峰值与第二曲线c2的峰值之间，第一曲线c1表示柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒物燃烧比较温和，因此安全，而第二曲线c2表示柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒物燃烧比较剧烈，因此存在非常高的烧坏柴油颗粒物过滤器32和/或选择性催化还原反应器33的可能性，第三曲线c3介于它们之间，表示柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒物燃烧情况也介于它们之间，仅具有低的烧坏可能性。仅作为示例，第一曲线c1下方的区域为安全区域Z1’，第二曲线c2与第三曲线c3之间的区域为危险区域Z2’，第一曲线c1与第三曲线c3之间的区域为居间区域Z3’。然而，通常难以判断出口温度Tout何时可以达到峰值。为此，根据本发明的一个示例性实施例，通过出口温度Tout在达到峰值前的初始变化速率、即梯度g来判断柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒物燃烧情况。从图4中可以清楚地看出，柴油颗粒物过滤器32内的碳烟颗粒物燃越剧烈，柴油颗粒物过滤器32烧毁的危险越大，出口温度Tout的梯度g也越大。

图5示出了出口温度Tout的示例性梯度。如图5中所示，从梯度方面考虑，安全区域Z1’、居间区域Z3’和危险区域Z2’被示意性地标记在图5中。安全区域Z1’的梯度g介于第一梯度g1与第二梯度g2之间，居间区域Z3’的梯度g介于第二梯度g2与第三梯度g3之间，危险区域Z2’的梯度g介于第三梯度g3与第四梯度g4之间。

可以选择从主动再生过程开始至峰值之间的任何时刻的出口温度梯度g作为控制变量。

根据本发明的一个示例性实施例，可以计算从主动再生过程开始至峰值之间的任何时段内的出口温度梯度g的平均值作为控制变量。这样，可以提高判断的准确性和可靠性。

示例性地，当通过出口温度梯度g介于第一梯度g1与第二梯度g2之间而判断处于安全区域Z1’内时，此时，可以采取措施提高柴油颗粒物过滤器32内的燃烧温度，以加速再生过程，同时不会损坏柴油颗粒物过滤器32和/或选择性催化还原反应器33。例如，可以启动或增大在排气管2内的碳氢喷射量，以增加随废气进入到柴油颗粒物过滤器32内的碳氢含量、例如燃油含量，从而可有助于促进柴油颗粒物过滤器32内的燃烧。作为另一个示例，也可调整喷油器的喷射特性，以使得进入到柴油颗粒物过滤器32内的助燃成分、例如来自气缸的未燃尽的残余燃油增加，从而也可有助于促进柴油颗粒物过滤器32内的燃烧。作为又一个示例，也可以调节柴油发动机的进气系统，例如废气再循环系统和/或节流阀致动器和/或涡轮增压器等，以使得柴油颗粒物过滤器32的入口温度升高和/或增大随废气进入到柴油颗粒物过滤器32内的助燃成分、例如燃油的含量。

上面仅示例性地列出了此时可以采取的措施，显然本发明并不排除其它措施，只要能够适当地加速柴油颗粒物过滤器32的主动再生过程而又不会损坏柴油颗粒物过滤器32和/或选择性催化还原反应器33即可。

当通过出口温度梯度g介于第三梯度g3与第四梯度g4之间而判断处于危险区域Z2’内时，此时，可以采取措施降低柴油颗粒物过滤器32内的燃烧温度，以避免损坏柴油颗粒物过滤器32和/或选择性催化还原反应器33。例如，可以采取与安全区域Z1’所采取的上述措施相反的措施，在此为了清楚起见，不再赘述。

当通过出口温度梯度g介于第二梯度g2与第三梯度g3之间而判断处于居间区域Z3’内时，可以采取介于安全区域Z1’与危险区域Z2’之间的措施，以在不损坏柴油颗粒物过滤器32和/或选择性催化还原反应器33的情况下高效地再生柴油颗粒物过滤器32。

根据本发明的一个示例性实施例，也可在出口温度Tout达到预定阈值时才根据出口温度梯度g通过调节影响柴油颗粒物过滤器32内的主动再生过程的参数来控制主动再生过程。

根据本发明的一个示例性实施例，可以根据出口温度Tout的预定变化特性来通过调节影响柴油颗粒物过滤器32内的主动再生过程的参数来控制主动再生过程。

本发明可以采用除出口温度梯度之外的至少与出口温度有关的控制变量来控制柴油颗粒物过滤器32内的主动再生过程。

对于本领域的技术人员来说，显然与压差△P和体积流量q有关的控制变量可以与与出口温度Tout有关的控制变量相组合来共同控制柴油颗粒物过滤器32内的主动再生过程。

此外，尽管以上以柴油车为例描述了本发明，但本发明的思想适用于任何使用了柴油发动机的设备。

尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (12)

1.一种用于控制柴油发动机的柴油颗粒物过滤器(32)的主动再生过程的方法，所述方法至少包括以下步骤：

在主动再生过程期间，检测流入柴油颗粒物过滤器(32)的废气的体积流量(q)和柴油颗粒物过滤器(32)的入口与出口之间的压差(△P)，和/或检测柴油颗粒物过滤器(32)的出口温度(Tout)；以及

至少基于至少与体积流量(q)和压差(△P)有关的第一控制变量和/或至少与出口温度(Tout)有关的第二控制变量控制柴油颗粒物过滤器(32)的主动再生过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

第一控制变量为体积流量(q)与压差(△P)构成的数据对(q，△P)；或

第一控制变量为压差(△P)与体积流量(q)的三次方之间的比值(k)；和/或

第二控制变量为主动再生过程中出口温度(Tout)在达到峰值之前的梯度(g)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

基于第一控制变量通过控制柴油颗粒物过滤器(32)的入口温度(Tin)来控制柴油颗粒物过滤器(32)的主动再生过程；和/或

基于压差(△P)判断何时启动主动再生过程。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

如果主动再生过程开始时的第一控制变量指示柴油颗粒物过滤器(32)再生烧毁可能性高于第一量度，则给出需要人工清洁维护柴油颗粒物过滤器(32)的指示；

如果主动再生过程开始时的第一控制变量指示柴油颗粒物过滤器(32)再生烧毁可能性高于第二量度而低于第一量度，则以第一入口温度(Tin1)开始主动再生过程；

如果主动再生过程开始时的第一控制变量指示柴油颗粒物过滤器(32)再生烧毁可能性低于第二量度，则以大于第一入口温度(Tin1)的入口温度(Tin)开始主动再生过程。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，

以第一入口温度(Tin1)开始的主动再生过程包括具有第一入口温度(Tin1)的第一主动再生阶段和后继的具有大于第一入口温度(Tin1)的入口温度(Tin)的第二主动再生阶段。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

第一主动再生阶段为主动连续再生阶段，在第二主动再生阶段中，柴油颗粒物过滤器(32)的入口温度(Tin)阶梯式地先增大到大于第一入口温度(Tin1)的第二入口温度(Tin2)，然后再增大到大于第二入口温度(Tin2)的第三入口温度(Tin3)；和/或

在第一主动再生阶段中，关闭废气再循环系统，以增大进入柴油颗粒物过滤器(32)的废气中的氮氧化物含量。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

第一入口温度(Tin1)为350-400℃；和/或

第二入口温度(Tin2)为约500℃；和/或

第三入口温度(Tin3)为约600℃。

8.如权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，

基于第一控制变量控制柴油发动机的进气系统和/或喷油特性和/或碳氢喷射特性，以控制主动再生过程；和/或

基于第二控制变量控制柴油发动机的进气系统和/或喷油特性和/或碳氢喷射特性，以控制柴油颗粒物过滤器(32)的出口温度(Tout)和/或位于柴油颗粒物过滤器(32)下游的选择性催化还原反应器(33)的入口温度；和/或

在柴油颗粒物过滤器(32)的出口温度(Tout)达到预定值时才基于第二控制变量控制柴油颗粒物过滤器(32)的主动再生过程。

9.一种用于用于控制柴油发动机的柴油颗粒物过滤器(32)的主动再生过程的系统，所述系统包括：

控制单元(9)，所述控制单元(9)被构造成：

在主动再生过程期间，检测流入柴油颗粒物过滤器(32)的废气的体积流量(q)和柴油颗粒物过滤器(32)的入口与出口之间的压差(△P)，和/或检测柴油颗粒物过滤器(32)的出口温度(Tout)；

至少基于至少与体积流量(q)和压差(△P)有关的第一控制变量和/或至少与出口温度(Tout)有关的第二控制变量控制柴油颗粒物过滤器(32)的主动再生过程。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，

所述控制单元(9)是用于控制柴油发动机工作的电子控制单元。

11.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，其中，所述程序指令被处理器执行时实现权利要求1-8中任一所述的方法的步骤。

12.一种用于车辆的控制单元，所述控制单元包括存储器、处理器以及存储在存储器上并能够在处理器上运行的程序指令，其中，所述处理器执行所述程序指令时实现权利要求1-8中任一所述的方法的步骤。